據(jù)外媒報(bào)道，谷歌和微軟即將公布量子計(jì)算技術(shù)里程碑式的突破。2017年4月，谷歌公布其實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的路線圖，聲稱將利用49量子比特的模擬系統(tǒng)攻克傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解出的難題，并將于近期披露相關(guān)論文。微軟將其研發(fā)重點(diǎn)放在了“有效操縱”上，也將在近期公布重磅突破。
量子計(jì)算這一潛在的革命性技術(shù)，已經(jīng)成為物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家長(zhǎng)達(dá)35年的夢(mèng)想。在不久的未來(lái)，這一領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)重大進(jìn)展。
據(jù)英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》消息，在接下來(lái)幾周內(nèi)，谷歌和微軟將分別宣布量子技術(shù)的兩項(xiàng)里程碑式的重大突破。但是，快速實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用是另外一回事。
量子計(jì)算領(lǐng)域的一些領(lǐng)先企業(yè)表示，量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)的性質(zhì)大大加快了計(jì)算速度，將在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)重要的實(shí)際應(yīng)用，這比以前想象的要快得多。
微軟將其研發(fā)重點(diǎn)放在“有效操縱”上
微軟量子團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人托德?霍姆達(dá)爾（Todd Holmdahl）說(shuō)，“我們有機(jī)會(huì)解決一系列以前無(wú)法解決的問(wèn)題?！彼С治迥觐A(yù)測(cè)?！霸趥鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)上，這些問(wèn)題用一輩子時(shí)間都無(wú)法解決?！?/p>
加拿大DWave公司7年前就開(kāi)始銷售特定類型的量子計(jì)算機(jī)，不過(guò)真正的目標(biāo)是一種通用計(jì)算機(jī)，可以被編程者用來(lái)處理當(dāng)今計(jì)算機(jī)范圍之外的一系列任務(wù)。該技術(shù)的好處包括模擬分子運(yùn)動(dòng)、突破性藥物研究，使機(jī)器學(xué)習(xí)更加強(qiáng)大。
然而，從事這項(xiàng)技術(shù)的其他人則認(rèn)為這太樂(lè)觀了。英特爾實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人邁克·梅伯里（Mike Mayberry）表示，在真正可行的技術(shù)出現(xiàn)之前，大型科技公司之間將會(huì)有一場(chǎng)“十年的競(jìng)賽”。他說(shuō)：“我們現(xiàn)在還處于‘玩具系統(tǒng)’時(shí)代”。
微軟和谷歌即將宣布的兩個(gè)里程碑將證明，最前沿的理論物理學(xué)如何迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。
盡管12年前量子計(jì)算已經(jīng)開(kāi)始，但微軟尚未產(chǎn)生可以工作的量子位，即量子計(jì)算的基本元件。 Holmdahl先生說(shuō)，目前已非常接近宣布“實(shí)現(xiàn)這一突破”。
這種聲明通常是通過(guò)科學(xué)期刊上的研究論文來(lái)完成的，也就是說(shuō)他們?cè)诔霭媲氨仨毥?jīng)過(guò)同行評(píng)議。 Holmdahl先生說(shuō)，對(duì)微軟來(lái)說(shuō)，這也是“科學(xué)的重要時(shí)刻”。
微軟花費(fèi)的時(shí)間超過(guò)了一些：IBM早在1998年宣布了首個(gè)可用的量子位，去年十二月份，已經(jīng)與多家合作伙伴一起幫助開(kāi)發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。但是微軟的量子位基于一種此前尚未得到證明的技術(shù)。如果這是正確的，那么軟件公司將很快超越那些在這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先的人并獲得巨大的優(yōu)勢(shì)。
微軟的設(shè)計(jì)解決了該技術(shù)最大的缺點(diǎn)之一。由于量子位很脆弱，因此量子計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行大量的錯(cuò)誤修正。量子位只會(huì)在量子態(tài)停留很短暫的時(shí)間，因此結(jié)果很容易受影響。
微軟的答案是：一種能有效分割電子的量子位，從而將同樣的信息同時(shí)保存在多個(gè)地方。如果量子位的某個(gè)部分出現(xiàn)問(wèn)題，那么其中包含的信息不會(huì)就此丟失，從而確保系統(tǒng)整體更穩(wěn)定。
對(duì)于使用所謂拓?fù)淞孔游坏挠?jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，內(nèi)建的容錯(cuò)機(jī)制帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)?；魻柲反鳡柋硎荆骸埃ú粔蚪训南到y(tǒng)）會(huì)產(chǎn)生大量錯(cuò)誤，需要去解決。如果說(shuō)他們需要1000到1萬(wàn)個(gè)量子位，那么我們只需要1個(gè)，因?yàn)槲覀兊腻e(cuò)誤修正比他們要好得多?！?/p>
然而，即使微軟確實(shí)達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)，創(chuàng)造首個(gè)可用的量子位只是第一步。Mayberry先生說(shuō)，現(xiàn)在還不清楚哪一種競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的量子比特技術(shù)最有效，因?yàn)橹圃焐淘噲D將現(xiàn)在的基本系統(tǒng)擴(kuò)展成全面的通用計(jì)算機(jī)。
谷歌：解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法破解的極限難題
谷歌預(yù)期將公布的里程碑是首次展示用量子計(jì)算機(jī)解決對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是極限的問(wèn)題。
當(dāng)量子計(jì)算機(jī)超越最強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之后，就將達(dá)到所謂的“量子霸權(quán)”。南加州大學(xué)量子計(jì)算專家、教授丹尼爾·利達(dá)（Daniel Lidar）表示，達(dá)到這個(gè)目標(biāo)將有“非常重大的科學(xué)意義，這將是計(jì)算技術(shù)史上的首次，表明量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)跨過(guò)了這道門檻?！?/p>
在谷歌的計(jì)劃表中，他們計(jì)劃于2017年底達(dá)成“量子霸權(quán)”，并在去年年底展開(kāi)了測(cè)試。這一測(cè)試的目標(biāo)是證明，包含49個(gè)量子位的系統(tǒng)能解決超出任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能力的問(wèn)題。谷歌沒(méi)有對(duì)最終結(jié)果置評(píng)，而結(jié)果是否成功也需要科學(xué)期刊的評(píng)審。
不過(guò)，IBM也在悄悄發(fā)力。通過(guò)對(duì)一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，IBM成功模擬了一臺(tái)包含50個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)。這在以往是被認(rèn)為不可能的。利達(dá)表示，隨著量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)者們你追我趕，這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)很可能會(huì)發(fā)生“真正的競(jìng)賽”。
然而，即使谷歌在推動(dòng)“量子霸權(quán)”方面獲得了成功（即專門設(shè)計(jì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，讓量子計(jì)算機(jī)成功解決），利達(dá)和其他專家也認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離。
即使來(lái)自微軟和谷歌的突破得到證實(shí)，在如何擴(kuò)大規(guī)模，系統(tǒng)如何編程方面，相關(guān)公司仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)可能需要100萬(wàn)個(gè)量子位，才能解決復(fù)雜的問(wèn)題。
除了讓量子位在更長(zhǎng)的時(shí)間里保持量子態(tài)以外，其他問(wèn)題還包括如何設(shè)計(jì)在極低溫度下可工作的電子控制系統(tǒng)。梅貝里指出，繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模非常困難。
不過(guò)，作為資深產(chǎn)品經(jīng)理的霍爾姆戴爾認(rèn)為，這與其他硬件挑戰(zhàn)沒(méi)有太大不同?；魻柲反鳡栐赬box游戲機(jī)的開(kāi)發(fā)中扮演了核心角色。他表示，微軟將設(shè)計(jì)和測(cè)試硬件版本迭代的時(shí)間縮短至2周，而在其他硬件領(lǐng)域，能快設(shè)計(jì)速迭代的公司將取得成功。
他表示：“現(xiàn)在的情況就是這樣。這有點(diǎn)類似太空探索。我們將很快派人登月。”
量子機(jī)器學(xué)習(xí)：“量子”在這個(gè)詞中沒(méi)有任何意義
90年代初，將量子物理與人工智能結(jié)合起來(lái)，尤其利用當(dāng)年還顯得特立獨(dú)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，被認(rèn)為無(wú)異于將油和水混合。
到今天，量子計(jì)算和人工智能的結(jié)合似乎已經(jīng)成為世界上最自然的事情。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)已經(jīng)成為21世紀(jì)最具顛覆性的技術(shù)。這些系統(tǒng)已經(jīng)可以通過(guò)巨大的計(jì)算能力成為可能，所以科技公司不可避免地要尋找不僅僅是更大的計(jì)算機(jī)，而且是全新類型的計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)在經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究之后，幾乎有足夠的優(yōu)勢(shì)來(lái)進(jìn)行超越地球上任何其他計(jì)算機(jī)的計(jì)算。他們的殺手級(jí)應(yīng)用程序通常被認(rèn)為是大數(shù)據(jù)的因素，這也是現(xiàn)代加密的關(guān)鍵。加利福尼亞州伯克利市的量子計(jì)算機(jī)公司Rigetti Computing的物理學(xué)家約翰內(nèi)斯·奧特巴赫（Johannes Otterbach）說(shuō)：“量子計(jì)算的統(tǒng)計(jì)特性與機(jī)器學(xué)習(xí)之間有著天然的結(jié)合?！?/p>
如果有的話，鐘擺現(xiàn)在已經(jīng)擺到另一個(gè)極端了。谷歌、微軟、IBM等科技巨頭紛紛投入到量子機(jī)器學(xué)習(xí)中。“機(jī)器學(xué)習(xí)”正在成為一個(gè)流行語(yǔ)，”莫斯科斯科爾科沃科技研究所量子物理學(xué)家Jacob Biamonte說(shuō)。 “當(dāng)你把機(jī)器學(xué)習(xí)和'量子'連在一起，它就成了一個(gè)超級(jí)流行詞。”
然而，“量子”這個(gè)詞在其中并沒(méi)有任何含義。雖然你可能認(rèn)為量子機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)該是強(qiáng)大的，但它卻遭受了一種閉鎖綜合癥。它在量子狀態(tài)上運(yùn)行，而不是在人類可讀的數(shù)據(jù)上運(yùn)行，而兩者之間的轉(zhuǎn)換抵消了其優(yōu)勢(shì)。這就像一個(gè)iPhone X，它有強(qiáng)大的配置，但運(yùn)行就像你的舊手機(jī)一樣慢，因?yàn)槟愕木W(wǎng)絡(luò)很糟糕。對(duì)于一些特殊情況，物理學(xué)家可以克服這種投入產(chǎn)出的瓶頸，但是這些情況是否出現(xiàn)在實(shí)際的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)中還是未知數(shù)。
量子神經(jīng)元（Quantum Neurons）
無(wú)論是經(jīng)典還是量子，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要工作都是要識(shí)別模型。 受人腦啟發(fā)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基本的計(jì)算單元網(wǎng)格——“神經(jīng)元”，每個(gè)單元可以像開(kāi)關(guān)設(shè)備一樣簡(jiǎn)單。一個(gè)神經(jīng)元監(jiān)視多個(gè)其他神經(jīng)元的輸出，就像進(jìn)行投票一樣，如果有足夠多的神經(jīng)元開(kāi)啟，它就會(huì)開(kāi)啟。 通常情況下，神經(jīng)元是分層排列的。 初始圖層接受輸入（如圖像像素），中間圖層創(chuàng)建各種輸入組合（表示邊緣和幾何形狀等結(jié)構(gòu)），最后一層產(chǎn)生輸出（圖像內(nèi)容的高級(jí)描述）。
從經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)
至關(guān)重要的是，布線不是預(yù)先固定的，而是在一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程中適應(yīng)。該網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)被輸入標(biāo)有“小貓”或“小狗”的圖像。對(duì)于每個(gè)圖像，它分配一個(gè)標(biāo)簽，檢查是否正確，如果不正確，則調(diào)整神經(jīng)元連接。它的猜測(cè)一開(kāi)始是隨機(jī)的，但隨后會(huì)變得更好；也許在識(shí)別一萬(wàn)個(gè)樣本后，它能認(rèn)識(shí)貓和狗。一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能有十億個(gè)連接，所有這些都需要調(diào)整。
在一臺(tái)經(jīng)典的計(jì)算機(jī)上，所有這些連接都用一個(gè)巨大的數(shù)字矩陣表示，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)意味著做矩陣代數(shù)。傳統(tǒng)上，這些矩陣操作被外包給GPU這類專用芯片。但是對(duì)于矩陣運(yùn)算沒(méi)有什么能比量子計(jì)算機(jī)做得更好。麻省理工學(xué)院物理學(xué)家、量子計(jì)算先驅(qū)塞斯·勞埃德（Seth Lloyd）表示：“在量子計(jì)算機(jī)上，大型矩陣和大型矢量的操作速度呈指數(shù)級(jí)提高?！?/p>
勞埃德估計(jì)，60個(gè)量子位就足以對(duì)一年內(nèi)人類產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，300個(gè)就可以傳送可觀測(cè)的宇宙的所有信息。（目前最大的量子計(jì)算機(jī)，由IBM，英特爾和谷歌建造，有50個(gè)量子比特。）
量子計(jì)算機(jī)在機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)上的應(yīng)用
2009年，谷歌曾領(lǐng)導(dǎo)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)團(tuán)隊(duì)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Hartmut Neven開(kāi)始進(jìn)行量子技術(shù)研究。他們展示了一臺(tái)早期的D-Wave機(jī)器如何處理機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。這是一個(gè)單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，任務(wù)是將圖像分成兩類：“汽車”或“沒(méi)有汽車”，在20000個(gè)街道場(chǎng)景的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這臺(tái)機(jī)器只有52個(gè)工作的量子位，對(duì)于處理一張圖像來(lái)說(shuō)都太少了。（需要注意的是：D-Wave機(jī)器與2018年推出的最先進(jìn)的50-qubit系統(tǒng)相比是完全不同的類型）。
去年，由加利福尼亞理工大學(xué)的粒子物理學(xué)家瑪麗亞·斯皮羅波魯（Maria Spiropulu）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組將這個(gè)算法應(yīng)用于一個(gè)實(shí)際的物理問(wèn)題：將質(zhì)子碰撞歸類為“希格斯玻色子”或“無(wú)希格斯玻色子”。他們使用基本粒子理論來(lái)預(yù)測(cè)哪些光子性質(zhì)可能會(huì)出現(xiàn)Higgs轉(zhuǎn)瞬即逝的存在，比如超過(guò)某個(gè)閾值的動(dòng)量。他們考慮了8個(gè)這樣的屬性和28個(gè)組合，共計(jì)36個(gè)候選信號(hào)，并且讓南加州大學(xué)的一個(gè)新型D-Wave找到最佳選擇。它確定了16個(gè)變量是有用的，三個(gè)變量是絕對(duì)最好的。量子機(jī)器比標(biāo)準(zhǔn)程序需要更少的數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行準(zhǔn)確的識(shí)別。南加州大學(xué)的物理學(xué)家、Spiropulu的合作者之一Daniel Lidar說(shuō)：“假設(shè)訓(xùn)練集很小，那么量子方法確實(shí)比粒子物理學(xué)界使用的傳統(tǒng)方法具有更高的精度優(yōu)勢(shì)?！?/p>
圖：加利福尼亞理工學(xué)院的物理學(xué)家Maria Spiropulu使用量子機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。
量子智能
另一方面，即使是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的偶然改進(jìn)，也會(huì)使科技公司感到高興。微軟量子計(jì)算研究員內(nèi)森?維貝（Nathan Wiebe）說(shuō)： “如果有一個(gè)足夠大，足夠快的量子計(jì)算機(jī)，我們可以徹底改變機(jī)器學(xué)習(xí)的各個(gè)領(lǐng)域?！痹谑褂眠@個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)科學(xué)家可能會(huì)解決機(jī)器學(xué)習(xí)理論難題。
Schuld也看到了軟件方面的創(chuàng)新空間。機(jī)器學(xué)習(xí)不僅僅是一堆計(jì)算。這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，有自己的特定結(jié)構(gòu)。他說(shuō)：“如果這樣的量子計(jì)算機(jī)可用，它使用什么機(jī)器學(xué)習(xí)模型？也許這是一個(gè)尚未發(fā)明的模型?！比绻锢韺W(xué)家在機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題中取得突破，他們需要做的不僅僅是將現(xiàn)有模型做成量子版本。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和量子處理器有一個(gè)共同點(diǎn)：他們的工作之有效令人驚奇。幾十年來(lái)大多數(shù)人都對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)持懷疑態(tài)度。同樣，量子物理學(xué)也長(zhǎng)期被認(rèn)為不可能用于計(jì)算，因?yàn)榱孔游锢韺W(xué)的獨(dú)特作用對(duì)我們來(lái)說(shuō)是隱藏的。從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的先例看來(lái)，它們的結(jié)合似乎也有可能。